 |
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ 6–10 кВ
Защита от замыканий на землю
при подключении несколькими кабелями
В эксплуатации нередко используется подключение мощных электродвигателей
6–10 кВ несколькими кабелями, что может затруднить работу защит от однофазных
замыканий на землю. Наиболее показательна работа таких двигателей на газокомпрессорных станциях – ответственных объектах, предназначенных для обеспечения бесперебойного функционирования магистральных газопроводов. Возникновение аварийных
ситуаций на таких станциях может привести к выходу оборудования из строя и большим
ущербам. Подавляющее большинство (70–90%) повреждений в сети электроснабжения
10 кВ компрессорных станций начинается с однофазных замыканий на землю.
Решения, предлагаемые новосибирскими авторами для газокомпрессорных станций,
могут быть использованы и на любых промпредприятиях, применяющих подобные
синхронные машины.
Алексей Шалин, д.т.н., профессор Новосибирского государственного технического университета
Андрей Хабаров, к.т.н., инженер-программист ЗАО «СИНЕТИК», г. Новосибирск
Рассмотрим некоторые вопросы, связанные с защитой электродвигателей от однофазных замыканий на землю, на примере типовой
схемы электроснабжения газокомпрессорной станции.
От секций шин 10 кВ осуществляется питание синхронных двигателей СТД-12500 компрессоров, трансформаторов собственных
нужд 10 кВ и т.д.
Каждый двигатель привода компрессора запитан через три параллельных кабеля, включенных под общий выключатель (т.е. через
пучок кабелей). Это может привести в некоторых случаях к отказам
в функционировании защиты от ОЗЗ.
Такие случаи наблюдались как на рассматриваемой газокомпрессорной станции, так и на других газокомпрессорных и
нефтеперекачивающих станциях. Они связаны с нарушением
контактного соединения на одном из кабелей пучка. Эти явления
описаны, например, в [1, 2]. В [2] описано запатентованное авторами настоящей статьи техническое решение, позволяющее
значительно повысить эффективность рассматриваемой защиты,
однако до промышленного изготовления запатентованной схемы
дело пока не дошло.
Рассмотрим случай нарушения контактного соединения и появления токов нулевой последовательности в кабелях пучка на
следующем примере. На рис. 1 представлена схема подключения
двигателя М, получающего питание от секции сборных шин через
пучок из двух кабелей и силовой выключатель. Вторичные обмотки
трансформаторов тока нулевой последовательности (ТТНП) в соответствии с рекомендациями [3, 4] включены последовательно.
В нормальном режиме работы токи в фазах двигателя равны по
величине и сдвинуты друг относительно друга на 120 электрических
градусов. Суммарный ток нагрузки, значение которого зависит
от режима работы потребителя, равномерно распределяется по
кабелям пучка. При этом значения первичных токов, протекающих
по каждому кабелю, в два раза меньше суммарного тока двигателя.
В результате суммарный магнитный поток в каждом из кабельных ТТНП равен нулю и токи в их вторичных цепях отсутствуют.
Реагирующий орган защиты от ОЗЗ находится в несработавшем
состоянии.
При нарушении одного из контактных соединений в кабельном
пучке (например, в фазе А верхнего кабеля на рис. 1) ток в соответствующей фазе кабеля уменьшается. Но поскольку суммарный ток
в фазе А потребителя определяется в основном сопротивлением
двигателя, а не кабеля (сопротивление кабеля чрезвычайно мало
по сравнению с сопротивлением двигателя), суммарный ток в
фазе А двигателя практически остается прежним. Следовательно,
возрастает на соответствующую величину ток в фазе А оставшегося
исправным кабеля.
Предполагается, что ток в фазе А верхнего кабеля продолжает
протекать, но его величина уменьшилась по сравнению с токами
в фазах В и С. Из рис. 2а видно, что сумма токов в фазах верхнего
кабеля уже не равна нулю, а равна 3I–
01. Это эквивалентно появлению
в этом кабеле «виртуального» тока нулевой последовательности,
причем этот ток может достигать весьма большой величины, соизмеримой с фазным током нагрузки. В результате во вторичной
обмотке ТТНП верхнего кабеля возникает соответствующая электродвижущая сила и ток.
Ток в фазе А нижнего кабеля увеличился и стал больше токов в
фазах В и С (рис. 2б). В результате суммарный магнитный поток в кабельном трансформаторе тока нижнего кабеля также стал отличным
от нуля. Во вторичной обмотке этого ТТНП появилась электродвижущая сила и ток, который в идеальном случае должен быть направлен
противоположно току в обмотке ТТНП верхнего кабеля. Далее сигналы от вторичных обмоток ТТНП суммируются с учетом знаков и
результирующий ток протекает через реле защиты от ОЗЗ.
  Если бы трансформаторы тока нулевой последовательности TA1
и TA2 были идеальными, то их вторичные токи в сумме дали бы ноль
и ток в защите от ОЗЗ отсутствовал бы, так как «виртуальные» первичные токи нулевой последовательности, появившиеся в кабелях,
равны друг другу по модулю и противоположны по направлению. В
действительности при одинаковых первичных токах во вторичных
обмотках ТТНП появляются разные по величине и электрическому
углу электродвижущие силы, что приводит к появлению в защите
от ОЗЗ тока небаланса. Величина этого тока зависит от степени
различия характеристик намагничивания ТТНП, а также от величин
первичных токов.
Ниже описаны результаты некоторых лабораторных экспериментов, проведенных на кафедре электрических станций
Новосибирского государственного технического университета с
кабельными ТТНП типа ТЗЛМ и ТЗРЛ для решения рассматриваемого вопроса.
ХАРАКТЕРИСТИКИ СРАБАТЫВАНИЯ ЗАЩИТЫ
ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМАХ СОЕДИНЕНИЯ
ВТОРИЧНЫХ ОБМОТОК ТТНП
С целью получения данных о величинах токов небаланса в защите от ОЗЗ при нарушении контактных соединений были проведены лабораторные эксперименты с ТТНП при различных схемах
соединений их вторичных обмоток и c использованием в качестве
органа защиты реле типа РТЗ-51. По результатам проведенных экспериментов были построены зависимости, некоторые из которых
представлены на рис. 3.
При проведении экспериментов сначала через ТТНП пропускали
противоположно направленные токи одинаковой величины (IТА1 и
IТА2). Затем один из токов, например IТА2, увеличивали до тех пор,
пока в реле не появлялся ток, превышающий выставленную на нем
уставку, после чего реле срабатывало. Аналогично добивались
срабатывания реле при уменьшении тока IТА2. Значения токов, при
которых происходило срабатывание, фиксировались и наносились
на график. Затем значения токов в каждом из ТТНП увеличивали и
опыт повторяли. Таким образом, для разных уставок реле РТЗ-51
(20, 80 и 146 мА) были построены кривые, ограничивающие область
несрабатывания реле.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ
Из зависимостей, полученных для последовательного соединения вторичных обмоток трансформаторов тока нулевой последовательности (рис. 3 а, б), видно, что в рассматриваемом случае сильно
проявилась нелинейность их характеристик. Видимо, это связано
с большим увеличением нагрузки на каждый из трансформаторов
тока, так как при последовательном соединении их вторичных обмоток сопротивление нагрузки на каждый из них складывается из
суммы сопротивления реле и сопротивления вторичной обмотки
второго ТТНП, которое при встречном токе может оказаться очень
большим.
Если бы кабельные ТТНП были идеальными, то ток небаланса в
защите отсутствовал бы. При этом срабатывание реле происходило
бы при увеличении или уменьшении, например, тока IТА2 на величину,
соответствующую уставке реле. В этом случае вместо кривых 2, 3 и 4 на рис. 3 а, б получились бы прямые линии, расположенные по
разные стороны и на одинаковом расстоянии от прямой 1.
В действительности неидентичность и нелинейность характеристик кабельных ТТНП в рассматриваемом случае приводят к появлению в защите от ОЗЗ тока небаланса. На рис. 3а кривые 2, 3 и 4
представляют собой границы области несрабатывания реле соответственно при уставках 20, 80 и 146 мА. Как видно из этого рисунка, при увеличении первичных (противоположно направленных)
токов в ТТНП выше примерно двух ампер при минимальной уставке
реле 20 мА происходит его ложное срабатывание. При уставке реле
80 мА ложное срабатывание происходит при увеличении первичных токов выше примерно шести ампер, а при максимальной
уставке 146 мА – при увеличении первичных токов выше примерно
десяти ампер.
Сужение областей несрабатывания защиты, ограниченных линиями 2, 3 и 4 (рис. 3а), при увеличении пропускаемых через ТТНП
первичных токов связано с появлением у этих ТТНП разных погрешностей по фазе. Например, при пропускании тока через ТТНП TA2
величиной в 10 А в защите возникает ток, для компенсации которого
необходимо через ТТНП TA1 пропустить ток в противоположном
направлении, в три раза больший по величине (рис. 3а). При этом
попадаем в середину зоны несрабатывания защиты.
Если бы ТТНП не имели погрешностей по фазе (либо эти погрешности были одинаковыми), то их вторичные сигналы были бы
расположены под углом 180О относительно друг друга. Тогда для
срабатывания реле необходимо было бы увеличить ток в одном
из ТТНП на величину, пропорциональную уставке реле. Однако из
рис. 3а видно, что с ростом величин первичных токов через ТТНП
требуются всё меньшие значения токов для срабатывания защиты.
При дальнейшем увеличении токов через трансформаторы тока
TA1 и TA2 зоны несрабатывания защиты сужаются, и, например,
при уставке реле 80 мА и при протекании через TA1 тока величиной
50 А (рис. 3а) уже не удается подобрать такой величины противоположно направленного тока в TA2, при которой реле не срабатывает,
так как даже при одинаковых величинах вторичных токов этих ТТНП
угол между ними отличен от 180 О, что приводит к протеканию в реле
тока, превышающего его уставку.
В тех случаях, когда пучок состоит из трех кабелей, используется три ТТНП, вторичные обмотки которых соединяются
последовательно, параллельно или по смешанной схеме [3, 4].
Соответствующие характеристики срабатывания защиты при последовательном соединении вторичных обмоток ТТНП типа ТЗЛМ
приведены на рис. 3б.
При проведении эксперимента с тремя ТТНП через один из них
пропускали ток в одном направлении, а через два других пропускали
в два раза меньшие по величине токи в противоположном направлении, имитируя тем самым возникновение нарушения контактного
соединения в одной из фаз первого кабеля. Для большей наглядности полученных зависимостей и удобства их сравнения с зависимостями, приведенными для других случаев, по вертикальной оси
отложено значение удвоенного тока, протекающего через второй
(и третий) трансформатор тока нулевой последовательности.
Как и в выше рассмотренном случае, при использовании последовательного соединения вторичных обмоток кабельных ТТНП
в ненаправленной токовой защите от ОЗЗ, выполненной на реле
РТЗ-51, появляется ток небаланса большой величины, вызывающий
ее ложное срабатывание.
Применив направленную защиту от ОЗЗ, можно избежать ложного
срабатывания, так как в нормальном режиме отсутствует напряжение
нулевой последовательности. Однако эта защита может срабатывать
излишне при внешних ОЗЗ, если ток нулевой последовательности в
защите, обусловленный нарушением контактного соединения, становится в 4–5 раз больше собственного емкостного тока этого присоединения. Угол тока в защите будет зависеть от фазы, в которой
произошло нарушение контактного соединения, от характеристик
намагничивания ТТНП, а также от их погрешностей по углу.
Еще одним существенным недостатком использования последовательного соединения вторичных обмоток ТТНП является возможность отказа защиты при замыкании на землю на защищаемом
присоединении. Поясним это на примере рис. 3б. Допустим, в
нормальном режиме суммарный ток нагрузки пучка из трех кабелей составляет 150 А (по 50 А на каждый кабель). Предположим, произошло нарушение контактного соединения фазы в одном из кабелей
пучка, например в кабеле, на котором установлен трансформатор
тока TA1, и ток в соответствующей фазе этого кабеля уменьшился
на 15 А. Токи нагрузки этой же фазы в других кабелях соответственно возрастут примерно на 7,5 А. В этом случае попадаем в точку с
координатами (15;15) на рис. 3б.
Если теперь в начале кабеля, на котором установлен ТТНП TA1,
произойдет ОЗЗ и при этом направление тока ОЗЗ совпадет с направлением тока нулевой последовательности в TA1, вызванного нарушением контактного соединения, то даже при величине внешнего емкостного тока в 35 А защита, имеющая уставку срабатывания 146 мА,
не сработает, так как ток в ней не превысит тока срабатывания и
останется в зоне несрабатывания защиты (в точке с координатами
50;15 на рис. 3б).
ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ
Существенного улучшения характеристик защиты можно добиться, изменив схему соединения вторичных обмоток ТТНП с последовательной на параллельную. Характеристики срабатывания
защиты при использовании двух ТТНП типа ТЗЛМ с параллельным
соединением вторичных обмоток приведены на рис. 3в. Зона несрабатывания защиты существенно уменьшилась и располагается
вблизи биссектрисы 1, то есть заблокировать защиту теперь можно
только примерно противоположным по фазе током в TA1, величина
которого близка к току в TA2.
Это значит, что рекомендации, приведенные в [3] и предлагающие в рассматриваемом случае включать вторичные обмотки ТТНП
последовательно, в данном режиме неправильны. Для улучшения
работы защиты в рассматриваемом режиме вторичные обмотки
ТТНП надо включать параллельно. Однако, как видно из рис. 3в, г,
полностью исключить неправильные действия не удается и при
параллельном соединении обмоток.
Необходимо учесть, что приведенные на рис. 3 характеристики срабатывания защиты были получены при экспериментах
с ограниченным числом ТТНП. Трансформаторы тока нулевой
последовательности того же типа, находящиеся в эксплуатации
в энергосистемах, могут иметь более сильно отличающиеся характеристики намагничивания, чем у тех, с которыми были проведены
эксперименты. Не исключено, что характеристики срабатывания
защиты будут выглядеть при этом значительно хуже, чем те, которые
приведены на рис. 3в.
Кроме того, на практике часто наряду с неразъемными ТТНП типа
ТЗЛМ и другими используются разъемные трансформаторы тока
нулевой последовательности, например типа ТЗРЛ. Необходимость
в их применении возникает, скажем, тогда, когда требуется заменить
вышедший из строя кабельный трансформатор тока нулевой последовательности, а кабель уже подключен в ячейке и выполнена
его разделка.
Характеристики срабатывания защиты при совместном использовании двух ТТНП типа ТЗЛМ (TA2) и ТЗРЛ (TA1), вторичные
обмотки которых соединены параллельно, приведены на рис. 3г.
Из этого рисунка видно, что величина тока небаланса в защите от
ОЗЗ при совместном использовании разъемного и неразъемного
трансформаторов тока существенно больше, чем при применении
неразъемных ТТНП.
ВЫВОДЫ
Для улучшения работы защиты от ОЗЗ в рассматриваемом режиме необходимо:
- включить вторичные обмотки ТТНП, установленных на кабелях пучка, параллельно;
- использовать информацию о напряжении нулевой последовательности, выполнить защиту направленной либо «комбинированной» (имеющей кроме токового органа также пусковой орган по напряжению и действующей на отключение лишь при одновременном срабатывании обоих пусковых органов);
- при длительном срабатывании токового органа и несработавшем состоянии пускового органа по напряжению предусмотреть выдачу сигнала персоналу о неисправности в цепях защиты;
- еще лучше постоянно контролировать величину сигнала на вторичной обмотке каждого трансформатора тока нулевой последовательности и при длительном появлении такого сигнала выдавать сигнал о неисправности цепей защиты.
-
совместное использование разъемного и неразъемного трансформаторов тока нулевой последовательности крайне нежелательно даже при параллельном соединении их вторичных
обмоток.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шалин А.И., Хабаров А.М. Защита от замыканий на землю для
пучков кабелей / Труды четвертой всероссийской научно-технической конференции «Ограничение перенапряжений. Режимы
заземления нейтрали. Электрооборудование сетей 6–35 кВ». –
Новосибирск, 2006. – С. 138–148.
2. Патент RU 2 297 703 C1 (Российская Федерация). Устройство
для защиты от замыканий на землю в сетях 3–10 кВ / Авторы
Шалин А.И., Хабаров А.М. МПК H02H 3/16 (2006.01), H02H 7/26
(2006.01) – Опубл. в Бюллетене № 11, 2007 г.
3. Федосеев А.М. Релейная защита электрических систем. Учебник
для вузов. – М.: Энергия, 1976. – 560 с.
4. Кискачи В.М. Схемы подключения защиты и сигнализации
однофазных замыканий при параллельных кабелях // Электричество. – 1972. – № 1. – С. 13–17.
| 
|
